一．工程背景
柴油機燃油混合物儘管總體上很薄，但由於存在許多區域性的濃區，因此會出現微粒和碳煙等固有產物。另外，高溫關鍵問題是擴散燃燒的「非均質」特性。為解決這一問題，柴油機必須採用稀薄的均勻混合氣。
因此，國外最先開展了柴油機預混合燃燒的研究。這種新概念燃燒，一般稱為均質充量壓燃燃燒（hcci，homogeneous charge compression ignition）。
2．hcci概述
均質充量壓縮燃燒hcci ( homogeneous charge compression ignition) 是一種新型的發動機燃燒方式, 它綜合了汽油機均質點燃和柴油機壓縮自燃的特點, 像汽油機那樣在進氣及壓縮行程形成均質混合氣, 當壓縮到上止點附近時均質混合氣自燃著火, 在缸內形成多點火核, 從而有效地維持著火燃燒的穩定性。
這種燃燒方式能有效地解決傳統柴油機存在的燃油經濟性差和尾氣排放高的問題, 特別是能夠降低nox 和pm的排放, 並進一步提高熱效率。目前, 國際上有多家汽車公司已在其產品發動機樣機上實現了多缸hcci 穩定燃燒, 並取得了大幅度降低油耗和排放的效果。
柴油機採用hcci 燃燒方式與普通的柴油機燃燒方式相比區別在於: 前者燃油在進氣和壓縮行程已經與空氣完全均質混合, 進行的是預混合燃燒模式, 其燃燒速率只與本身的化學反應動力學有關;而後者在進氣行程中進入燃燒室的是純空氣, 在壓縮行程接近終了時, 才把柴油噴入燃燒室內, 讓其與空氣在極短的時間內形成可燃混合氣( 極不均勻) , 進行的是擴散燃燒模式, 它的燃燒速率主要與燃油蒸發速率及其與空氣混合速率有關。圖1 所示為hcci 柴油機與普通柴油機的放熱率比較, hcci 柴油機的燃燒過程表現出特別的兩個階段:
第一階段( 放熱曲線上較小的峰值) 與低溫化學動力學有關( 冷焰或藍焰) ; 第二階段( 放熱曲線上較大的峰值) 是主燃燒期; 第一階段是第二階段的焰前反應, 焰前反應放出的熱量加熱了餘下的充量混合氣, 同時餘下的充量繼續被壓縮, 經歷短時間的延遲後, 餘下的充量達到著火條件, 幾乎同時著火, 使放熱率迅速公升高, 表現在放熱曲線上則出現大的峰值[2～3], 可見, hcci 燃燒速率較快。
三．柴油機hcci實現方法
在柴油機實現hcci燃燒的主要方法有：採用噴霧範圍大，油粒細而均勻的燃油噴霧，以快速形成均勻的混合氣濃度場；大幅度延長滯燃期，以便在著火前使燃油有充分的蒸發混合時間；控制前期燃燒速度，抑制氮氧化物的生成以及碳煙的排放。
均質混合氣的形成是實現hcci的第一步，現採用的方式主要有：進氣道缸外混合、缸內早噴、缸內晚噴。
1.缸外預混hcci
此方法在進氣行程中把柴油噴入吸氣管，與空氣混合形成預混氣。採用進氣道噴射，利用進氣渦流來強化混合氣的形成，是提高混合氣均勻度的乙個簡單的辦法。但是它要求較高的溫度來促進柴油的蒸發，需要安裝加熱裝置和進氣道燃油噴射裝置，而且不利於柴油機的冷啟動。
2.缸內早噴
該方式是目前普遍採用的柴油hcci預混氣形成方式。即在壓縮行程前期，柴油機被噴入氣缸，隨活塞上行逐步與空氣混合，直至發生自燃著火。由於柴油密度大，而壓縮衝程早期缸內空氣密度較小，高密度的柴油噴入低密度的環境中貫穿度較大，因而燃油撞壁現象嚴重，這會降低燃油的霧化與混合程度，進而導致排放增加，油耗上公升等問題。
3.缸內晚噴
缸內晚噴是在接近上止點或在下止點之後，把柴油噴入氣缸，同時採用大量預冷的egr、加強渦流和降低壓縮比等措施實現著火延遲，使柴油機著火恰好發生在噴射結束之後。儘管缸內晚噴形成的油氣混合均勻度不如進氣道缸外噴射和缸內早噴，但是氮氧化物和pm排放仍然低於傳統柴油機。
4．hcci存在的問題及對策
目前hcci 柴油發動機還未能實現大規模商品化,，只是少量的投入生產，hcci存在的技術問題主要有以下幾個方面：
1.著火時刻和燃燒速率的控制。hcci著火過程主要受化學反應動力學控制，著火時刻取決於混合氣的成分，溫度和壓力，受負荷、轉速的影響小，不能通過常規的負荷，轉速等反饋訊號來加以控制，只能間接地控制著火時刻和燃燒過程。
目前是通過採用排氣再迴圈（egr），可變壓縮比（vcr）、可變氣門正時或改變燃料屬性和假如燃料新增劑等技術解決。
2.發動機冷啟動。hcci發動機冷啟動時，燃燒室壁面溫度比較低，進氣混合氣的熱量部分還要傳遞到冷的燃燒室壁上，此時也沒有高溫廢氣可利用，導致壓縮終了時缸內溫度比較低，又由於hcci燃燒對溫度很敏感，因此在冷啟動時hcci發動機中的混合氣很難正常著火燃燒。
可以用電熱塞加熱進氣，提高混合氣溫度，或者採用傳統的燃燒模式來啟動，等暖機後再切換到hcci模式下執行等方法來解決冷啟動問題。
和co排放高。hcci發動機由於燃燒溫度低，混合氣混合均勻是氮氧化物和pm排放很低，但是hc和co排放較高，需採用機外淨化裝置，但排氣再迴圈裝置（egr）更為常用。再迴圈廢氣有加熱作用、稀釋作用、分層作用和化學性作用。
五. 意義
總的來說，柴油機上實現預混燃燒有很大的難度，這主要是柴油中烴分子質量大，不易蒸發，以及著火時間及燃燒速率難以精確控制等。但柴油機預混合燃燒方案的提出，極大地拓寬了柴油機燃燒的思路，使得被氮氧化物和pm排放問題長期困擾的傳統柴油機，找到一條新出路。目前，國內外也在汽油機上進行hcci燃燒的研究。
發動機設計師們堅信：早晚有一天柴油機和汽油機會合二為一，出現一種具有這兩種內燃機各自優點的新型內燃機。
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